Lần đầu tiên quan sát được quang phổ của phản vật chất

Kể từ khi sự tồn tại của phản vật chất được đề xuất hồi đầu thế kỉ 20, các nhà khoa học đã liên tục tìm hiểu xem chúng liên hệ với vật chất bình thường như thế nào, và tại sao có sự mất cân bằng biểu kiến giữa vật chất và phản vật chất trong Vũ trụ. Để làm việc này, nghiên cứu vật lí hạt trước đây vài thập niên tập trung vào phản hạt của nguyên tử sơ cấp nhất và dồi dào nhất trong Vũ trụ - hạt phản hydro.

Mãi cho đến gần đây, công việc này là hết sức khó khăn, khi mà các nhà khoa học đã có thể tạo ra phản hydro, nhưng không thể nghiên cứu nó được lâu trước khi nó phân hủy. Nhưng theo một nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Nature, một đội sử dụng thí nghiệm ALPHA đã có thể thu được thông tin quang phổ đầu tiên về phản hydro. Sau 20 năm hình thành và phát triển, thành tựu này có thể mở ra một lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới về phản vật chất.

Việc đo các nguyên tử hấp thụ hay phát xạ ánh sáng như thế nào - tức là nghiên cứu quang phổ - là một phương diện chủ chốt của vật lí học, hóa học và thiên văn học. Không những nó cho phép các nhà khoa học đặc trưng hóa các nguyên tử và phân tử, mà nó còn cho phép các nhà thiên văn vật lí xác định thành phần của những ngôi sao ở xa bằng cách phân tích quang phổ của ánh sáng mà chúng phát ra.

Ảnh minh họa một đám mây nguyên tử phản hydro bị bẫy. Ảnh: CERN/Chukman So

Trước đây, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành về quang phổ của hydro, nguyên tố chiếm khoảng 75% tổng khối lượng vật chất baryon trong Vũ trụ. Chúng giữ một vai trò thiết yếu trong sự hiểu biết của chúng ta về vật chất, năng lượng, và sự tiến hóa của các nhánh khoa học. Mãi cho đến gần đây, việc nghiên cứu quang phổ của phản hạt của hydro vẫn còn hết sức khó khăn.

Trước tiên, nó đòi hỏi các hạt cấu tạo nên phản hydro – phản proton và positron (phản electron) – phải được bắt giữ và được làm lạnh đến mức chúng có thể tiến đến với nhau. Ngoài ra, người ta cần duy trì những hạt này đủ lâu để quan sát hành trạng của chúng, trước khi chúng tiếp xúc không thể tránh khỏi với vật chất bình thường và phân hủy mất.

May thay, trong vài thập niên trở lại đây, công nghệ đã phát triển đến tầm cho phép nghiên cứu phản vật chất, do đó tạo cơ hội cho các nhà khoa học suy đoán cơ sở vật lí ẩn sau phản vật chất phù hợp với Mô hình Chuẩn và vượt khỏi nó. Như đội nghiên cứu CERN – đứng đầu bởi tiến sĩ Ahmadi thuộc Khoa Vật lí, Đại học Liverpool – chỉ ra trong nghiên cứu của họ:

“Mô hình Chuẩn dự đoán rằng phải có lượng vật chất và phản vật chất ngang nhau trong Vũ trụ nguyên thủy sau Vụ Nổ Lớn, nhưng Vũ trụ ngày nay được quan sát thấy chỉ gồm hầu như toàn bộ là vật chất bình thường. Điều này thúc đẩy các nhà vật lí nghiên cứu tỉ mỉ phản vật chất, để xem liệu có một sự bất đối xứng nhỏ nào trong các định luật vật lí chi phối hai loại vật chất hay không.”

Thí nghiệm ALPHA sử dụng một bẫy từ để giữ các nguyên tử phản hydro trung hòa, sau đó đưa chúng vào phân tích quang phổ. Ảnh:C ERN

Bắt đầu hồi năm 1996, nghiên cứu này tiến hành tại thí nghiệm ATHENA (Thiết bị Phản Hydro), một bộ phận của cơ sở Máy giảm tốc Phản Proton CERN. Thí nghiệm này có nhiệm vụ bắt giữ phản proton và positron, sau đó làm lạnh chúng đến nhiệt độ tại đó chúng có thể kết hợp tạo thành phản hydro. Kể từ 2005, nhiệm vụ này đã trở thành nhiệm vụ chính của thí nghiệm kế vị ATHENA, tức thí nghiệm ALPHA.

Sử dụng các thiết bị đã nâng cấp, ALPHA bắt giữ các nguyên tử phản hydro trung hòa và giữ chúng trong một khoảng thời gian lâu hơn trước khi chúng phân hủy không thể tránh khỏi. Trong thời gian này, các đội nghiên cứu tiến hành phân tích quang phổ bằng laser tử ngoại của ALPHA để xem phản nguyên tử có tuân thủ các định luật giống như nguyên tử hydro hay không. Như Jeffrey Hangst, phát ngôn viên của chương trình hợp tác ALPHA, lí giải trong một bản tin CERN:

“Việc sử dụng laser để quan sát một chuyển tiếp ở phản hydro và so sánh nó với hydro để xem liệu chúng có tuân thủ các định luật vật lí giống nhau hay không, luôn luôn là mục tiêu chính của nghiên cứu phản vật chất...Làm chuyển động hoặc bắt giữ phản proton hoặc positron thì dễ vì chúng là hạt tích điện. Còn khi bạn kết hợp hai hạt trên thì bạn có phản hydro trung hòa, nó khó bị bắt giữ hơn nhiều, vì thế chúng tôi đã thiết kế một cái bẫy từ rất đặc biệt hoạt động dựa trên thực tế là phản hydro có một chút từ tính.”

Làm như vậy, đội nghiên cứu đã có thể đo tần số của ánh sáng cần thiết để làm cho một positron nhảy từ mức năng lượng thấp nhất của nó lên mức kế tiếp. Cái họ tìm thấy là (trong giới hạn thí nghiệm) không có sự khác biệt giữa dữ liệu quang phổ của phản hydro và của hydro. Các kết quả này thật sự xuất sắc, vì chúng là quan sát quang phổ đầu tiên từng được thực hiện của nguyên tử phản hydro.

Ngoài việc cho phép lần đầu tiên so sánh giữa vật chất và phản vật chất, các kết quả này còn cho thấy hành trạng của phản vật chất – thông qua các đặc trưng quang phổ của nó – là thích ứng với Mô hình Chuẩn. Đặc biệt, chúng tương thích với cái gọi là đối xứng Điện tích-Chẵn lẻ-Thời gian (CPT).

Lí thuyết đối xứng này dự đoán rằng các mức năng lượng trong vật chất và phản vật chất sẽ giống nhau. Như đội thực nghiệm giải thích trong nghiên cứu của họ:

“Chúng tôi đã tiến hành phép đo quang phổ laser đầu tiên trên một nguyên tử phản vật chất. Đây là một thành tựu được chờ đợi lâu nay trong lĩnh vực vật lí phản vật chất năng lượng thấp. Nó đánh dấu một bước ngoặc chuyển từ các thí nghiệm chứng minh-nguyên lí sang đo lường học nghiêm túc và so sánh CPT chính xác bằng cách sử dụng quang phổ của một phản nguyên tử. Kết quả hiện nay... chứng minh rằng các kiểm tra của các đối xứng cơ bản với phản vật chất tại AD đang hoàn thiện ở tốc độ nhanh”.

Nói cách khác, việc xác nhận vật chất và phản vật chất có các đặc trưng quang phổ giống nhau là một dấu hiệu nữa cho thấy Mô hình Chuẩn là đúng – tương tự như việc khám phá boson Higgs hồi năm 2012 đã khẳng định. Nó cũng chứng minh tính hiệu quả của thí nghiệm ALPHA ở việc bắt giữ các hạt phản vật chất, cái sẽ có lợi cho các thí nghiệm phản hydro khác.

Lẽ tự nhiên, các nhà nghiên cứu CERN rất hào hứng trước kết quả này, và trông ngóng những gợi ý mới bất ngờ. Ngoài việc mang lại một phương tiện mới kiểm tra Mô hình Chuẩn, người ta còn hi vọng nó sẽ phát triển theo hướng giúp các nhà khoa học hiểu được tại sao có sự mất cân bằng vật chất-phản vật chất trong Vũ trụ. Đây là một bước tiến thiết yếu nữa trong việc khám phá chính xác Vũ trụ mà chúng ta biết đã vận hành như thế nào.

Nguồn: Universe Today

Bài trước | Bài kế tiếp